Толстобров А.П. Архитектура ЭВМ

Подождите немного. Документ загружается.

ресов. Ссылку на содержимое данного регистра как на базовый адрес могут

осуществлять и другие команды , используя при этом свои значения факти -

ческого смещения адреса.

7.4. Режимы адресации со ссылкой на регистр - счетчик

команд

В этих режимах адресации при формировании исполнительного адреса

операнда используется текущее содержимое регистра -счетчика команд .

1. Непосредственный метод адресации.

При использовании этого режима адресации операнд указывается непо-

средственно в команде, после кода операции. Процессор получает в этом

случае адрес операнда непосредственно из своего регистра–счетчика команд .

Для реализации этого метода адресации фактически используется авто -

инкрементный метод адресации через регистр–счетчик команд . Действи-

тельно , как уже говорилось выше, при считывании процессором из памяти

команды , адрес которой находится в его счетчике команд , содержимое этого

регистра автоматически увеличивается и становится равным адресу сле-

дующей за считанным командным словом ячейки памяти , т.е . адресу указан-

ного во втором слове команды операнда. После считывания операнда из это -

го адреса процессор снова автоматически увеличивает содержимое регистра -

счетчика команд , после чего его содержимое будет указывать на следующую

за операндом ячейку памяти , в которой может размещаться следующая ко -

манда программы .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Память

до

считы -

вания

команды

после

считы -

вания

команды

после

считы -

вания

операнда

Адрес

100

102

104

106

Операнд

Следующая команда

Предыдущая команда

Код инструкции

команды

СК

Адрес 100

СК

Адрес 102

СК

Адрес

104

СК

Адрес

106

Рис.7.9

2. Абсолютный метод адресации.

При использовании данного метода адресации во втором слове команды,

т .е. в следующей за кодом команды ячейке памяти, указывается адрес опе-

ранда. Фактически это косвенно–автоинкрементный метод адресации через

регистр–счетчик команд .

СК

Адрес 102

СК

Адрес 104

СК

Адрес 106

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Память

до

считы -

вания

команды

после

считы -

вания

команды

после

считывания

адреса

операнда

Адрес

100

102

104

106

2000

Адрес операнда 2000

Предыдущая команда

Операнд

Код инструкции

команды

Рис.7.10

Как обычно , после считывания процессором из ячейки памяти кода ко -

манды его регистр-счетчик команд указывает на адрес следующей за кодом

команды ячейки памяти , и при указании в команде этого метода адресации

процессор интерпретирует содержимое регистра–счетчика команд уже как

адрес ячейки памяти , содержащей адрес операнда. После считывания опе-

ранда содержимое счетчика команд снова автоматически наращивается (бла-

годаря использованию косвенно–автоинкрементного метода) и становится

равным адресу следующей ячейки памяти .

3. Относительный метод адресации.

Во втором слове команды указывается относительный адрес операнда,

т.е . величина смещения адреса операнда относительно адреса самой коман-

ды (текущего содержимого регистра - счетчика команд процессора ).

до

считы -

вания

команды

после

считы -

вания

команды

после

считы -

вания

смещения

СК

Адрес 102

СК

Адрес 104

СК

Адрес

106

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Память

Адрес

100

102

104

306

Смещение 200

Предыдущая команда

Операнд

Код инструкции

команды

Рис.7.10

7.5. Стек. Организация стека в памяти ЭВМ

Стек – это один из способов организации памяти , отличающийся от уже

рассмотренной выше организации памяти с произвольным доступом . Как

уже говорилось, в память с произвольным доступом представляет собой на-

бор одинаковых ячеек памяти , доступ к которым для чтения или записи

осуществляется независимо от их расположения в памяти путем указания

адреса требуемой ячейки памяти . Память ЭВМ , организованная в виде стека,

также включает в себя определенное количество одинаковых запоминающих

ячеек, однако доступ к этим ячейкам для записи или чтения не может осуще-

ствляться произвольным образом, т.е . в любое время к любой ячейке.

Доступ к ячейкам стека осуществляется не по адресам ячеек, а только че-

рез так называемую « вершину стека» – ячейку памяти стека, доступную в

данный момент времени .

При последовательной записи данных (кодов, чисел) в стек загружаемые

данные последовательно помещаются на «вершину стека», при этом ранее

записанные значения как бы проталкиваются вглубь стека. В каждый мо-

мент времени для чтения в стеке доступно только слово , находящееся на

его вершине. При этом прочитать слово , находящееся на вершине стека,

можно только один раз, так как после чтения это слово «выталкивается»

из стека и на его вершине оказывается слово , записанное перед вытолкну-

тым . Таким образом , записанные в стек данные могут быть последова -

тельно прочитаны только в порядке, обратном порядку их записи в стек

путем последовательного «выталкивания» этих данных из глубины стека

на его вершину . При этом информация о вытолкнутых данных теряется.

Обычно такой способ доступа к данным коротко формулируют в виде:

«последним пришел – первым вышел» .

Аналогично еще один используемый в ЭВМ способ организации данных,

называемый очередью , формулируют в виде: «первым пришел – первым вы -

шел» (или «последним пришел – последним вышел»).

Оставляя пока в стороне вопросы целесообразности использования стека

процессором ЭВМ , рассмотрим реализацию этого , как будет видно ниже ,

важного вида памяти . Обычно в ЭВМ стек реализуется в адресном простран-

стве ее оперативной памяти выделением под него определенного количества

последовательных ячеек. Специфический способ доступа к ячейкам памяти ,

выделенным под стек, осуществляется путем специального режима адреса-

ции с использованием одного из регистров процессора , называемого реги -

стром – указателем стека (УС или SP).

При работе со стеком содержимое регистра – указателя стека интер-

претируется процессором как адрес «вершины стека». Более точно – как

адрес выделенной под стек ячейки памяти , в которой находится число, запи -

санное в стек последним. В связи с этим процедура начальной установки со -

стояния стека использующей его программой (определение выделяемой под

стек области памяти ) состоит в начальной установке регистра – указателя

стека, а именно , записи в него адреса ячейки памяти , являющейся «верши-

ной» пустого стека. Общепринятым является заполнение стека данными в

сторону уменьшения адресов его ячеек.

Запись числа в стек, организованный в памяти ЭВМ , иллюстрируется на

рис.7.11.

Вначале процессор корректирует содержимое регистра - указателя стека,

смещая его на одну ячейку в сторону уменьшения адресов (при четных адре -

сах ячеек памяти уменьшая его на два), после чего в указываемую этим реги -

стром ячейку памяти пересылается записываемое число.

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

память

УС

а) Стек пустойб)Стек после

загрузки

числа 543

в ) Стек после

загрузки

числа 126

УСУС

память

543

память

126

543

776774772

770

772

774

776

Рис.7.11

При засылке в стек следующего числа опять происходит коррекция, т.е .

уменьшение содержимого указателя стека, и запись следующего числа уже в

новую ячейку памяти . Таким образом, регистр – указатель стека всегда со-

держит адрес последней записанной ячейки стека, т .е. указывает на вер -

шину стека.

Метод адресации ячеек памяти , который используется при засылке чисел

в стек, носит название косвенная адресация через регистр (в данном случае

указатель стека) с предварительным автоуменьшением его содержимого

( рассмотренный выше автодекрементный метод адресации). В некоторых

ЭВМ такая адресация может использоваться с любым из регистров общего

назначения процессора .

Чтение информации из стека или , как еще говорят , выталкивание числа

из стека происходит следующим образом (см. рис.7.12).

Число прочитывается из ячейки памяти , адрес которой находится в реги -

стре–указателе стека, после чего содержимое этого регистра автоматически

корректируется в сторону увеличения адресов. При прочтении следующего

числа производится аналогичная операция.

. . . . . . . . . . . .

память

УС

б)После считывания

числа

а)Чтение числа из

вершины стека

в ) Запись в стек

числа 361

УСУС

память

126

543

126

543

память

361

543

772774772+2

770

772

774

776

Рис.7.12

Следует обратить внимание на то , что хотя при считывании числа из

вершины стека используется термин «выталкивание» , само число из ячейки

стека никуда не девается. Просто коррекция регистра–указателя стека делает

содержимое этой ячейки не доступным с помощью механизма работы со

стеком. При записи в стек очередного числа, как показано на рис.7.12в , оно

будет записано по адресу числа, вытолкнутого (считанного ) из стека непо -

средственно перед этим.

Метод адресации ячеек памяти , используемый при чтении чисел из стека,

называется косвенной адресацией через регистр (в данном случае регистр-

указатель стека) с предварительным автоувеличением (рассмотренный

выше автоинкрементный метод адресации).

Приведенные выше методы адресации операндов являются типичными

для большинства ЭВМ различных типов, хотя используемый для их реализа -

ции формат команд может существенно различаться, при этом в каждом

конкретном типе ЭВМ они могут дополняться и другими более изощренны -

ми методами адресации, увеличивающими гибкость организации различных

структур данных при программировании.

7.6. Контрольные вопросы

1. Типы команд ЭВМ .

2. Какая информация кодируется в команде ЭВМ ?

3. Какие проблемы приходится решать при кодировании команд ЭВМ ?

4. Что такое адресация операндов, методы адресации?

5. Что такое адресный код, исполнительный адрес, чем отличаются эти по -

нятия?

6. Для чего в ЭВМ необходимо наличие разнообразных методов адресации

операндов?

7. Что такое подразумеваемый операнд , подразумеваемый адрес?

8. Непосредственная адресация.

9. Абсолютная адресация.

10. Относительная адресация.

11. Регистровая адресация.

12. Косвенная адресация.

13. Регистровый и косвенно -регистровый методы адресации.

14. Косвенная адресация со смещением.

15. Методы адресации, использующие счетчик команд при формировании

исполнительного адреса операнда.

16. Использование регистра - счетчика команд при реализации непосредст-

венного , абсолютного и относительного методов адресации.

17. Какой метод адресации следует использовать в перемещаемой программе

для адресации данных, расположенных в теле программы ?

18. Какой метод адресации следует использовать в перемещаемой программе

для адресации регистров внешних устройств ?

19. Что такое стек?

20. Организация стека в оперативной памяти ЭВМ .

21. Для чего используется стековая память?

22. Проиллюстрируйте изменение состояния элементов процессора при по -

следовательной записи в стек трех чисел.

23. Какие методы адресации можно использовать для записи числа в стек,

для чтения числа из стека?

8. Команды управления выполнением программы

8.1. Команды безусловной и условной передачи

управления

Команды управления выполнением программы имеют большое значение,

поскольку они позволяют вмешиваться в процесс автоматического формиро -

вания процессором адреса следующей выполняемой команды .

Как уже говорилось выше, процессор всегда выбирает очередную коман-

ду из той ячейки памяти, адрес которой в данный момент находится в ре-

гистре-счетчике команд . Осуществляя соответствующее изменение содер-

жимого регистра–счетчика команд процессора , команды передачи управле-

ния позволяют вместо тривиальной последовательной выборки команд из

памяти реализовать переходы в нужные точки программы . Переходы на ад -

рес, задаваемый командами передачи управления, могут быть безусловными,

т.е . выполняемыми в любом случае, и условными. Выполнение или не вы -

полнение последних зависит от результата выполнения процессором коман-

ды, предшествующей команде условного перехода, например, команда –

ВЕТВЛЕНИЕ , ЕСЛИ РЕЗУЛЬТАТ ОПЕРАЦИИ РАВЕН НУЛЮ . Команды безус-

ловных и условных переходов позволяют обеспечивать, в частности , воз-

можность реализации таких важных конструкций программирования, как

циклы .

Как видно из вышесказанного , действием, совершаемым этими команда-

ми , является принудительное изменение содержимого регистра -счетчика

команд процессора в соответствии со значением задаваемого в команде тем

или иным образом адреса перехода к другой команде программы . При ука-

зании места перехода обычно используют два способа: в первом указывают

абсолютный адрес, на который следует осуществить переход, во втором ве -

личину смещения адреса перехода относительно текущего значения счетчика

команд , т.е. адреса самой команды перехода. Первый способ обеспечивает

возможность передачи управления в любую точку адресного пространства,

но требует больше места для размещения команды и больше времени на ее

выполнение. Второй способ обеспечивает более компактное кодирование

команд перехода, так как обычно для указания смещения используют всего

один байт. Указываемое в команде смещение может быть как положитель-

ным, так и отрицательным числом, благодаря чему безусловное или услов-

ное ветвление в программе может осуществляться как в сторону старших,

так и в сторону младших адресов относительно текущего содержимого счет-

чика команд . При этом, если для указания смещения используется один байт,

максимальная величина смещения оказывается ограниченной диапазоном

±128 ячеек памяти .

В системе команд ЭВМ существует целый набор разнообразных команд

условных ветвлений. Это команды, осуществляющие переход в случае, на-

пример, когда результат предыдущей операции равен нулю, больше нуля,

больше или равен нулю, меньше нуля и т.д. Каким же образом в процессоре

осуществляется анализ результата предыдущей операции при выполнении

команд условных переходов?

Как уже говорилось выше, после выполнения процессором каждой ко -

манды в зависимости от ее результата устанавливаются разряды–признаки

(флаги ) Z, N, V и C регистра состояния процессора . Например, после выпол-

нения команды CMP (сравнение двух операндов) по состоянию флажков ре -

гистра состояния процессора можно определить соотношение величин срав -

ниваемых операндов : равны , не равны, больше , меньше и т. д . При выполне -

нии команд условных ветвлений процессор анализирует соответствие

флажков регистра состояния процессора задаваемому командой условию и

при выполнении этого условия осуществляет модификацию своего регистра -

счетчика команд на величину задаваемого в команде смещения (положи -

тельного или отрицательного ). При невыполнении заданного условия содер-

жимое счетчика команд не корректируется и происходит обычная выборка

следующей по порядку команды .

Большое количество разнообразных команд условных ветвлений позво-

ляет обрабатывать переходы по всем возможным условиям , касающимся ре -

зультата предыдущей операции: равно/не равно (нулю ) , больше / меньше , не

больше , не меньше и т.д ., причем при интерпретации сравниваемых операн-

дов как чисел без знака, так и чисел со знаком, а также в зависимости от на-

личия или отсутствия переноса из старшего разряда и арифметического пе-

реполнения.

8.2. Контрольные вопросы

1. Команды безусловной и условной передачи управления (безусловного и

условных переходов), их назначение, какие элементы процессора исполь-

зуются при их выполнении и каким образом?

2. Какую роль при выполнении команд условных ветвлений играет регистр

состояния процессора ?

9. Подпрограммы . Использование стека при вызове

подпрограмм и возврате из них

9.1. Проблемы реализации подпрограмм

Подпрограммой обычно называют часть программы , к которой можно

многократно обращаться из других, причем разных, мест основной програм-

мы с последующим возвратом в место , откуда произошел вызов (см. рис.9.1).

Начало подпрограммы

Вызов подпрограммы

Возврат из подпрограммы

Память

Рис.9.1

Использование механизма подпрограмм является эффективным средст-

вом, позволяющим существенно экономить занимаемый программой объем

памяти , устраняя дублирование в программе многократно выполняемых